DE19906769A1

DE19906769A1 - Overload protection arrangement for preventing damage to optical components by excessive light power from a light source, esp. for protecting a glass fiber system for transferring laser light

Info

Publication number: DE19906769A1
Application number: DE19906769A
Authority: DE
Inventors: Johann Engelhardt; Heinrich Ulrich
Original assignee: Leica Microsystems Heidelberg GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 1999-12-16
Also published as: JP4396997B2; WO1999042878A1; EP0976000A1; US6421475B1; JP2001520766A

Abstract

The arrangement has an output coupling device (4) in the light path between the light source (2) and the optical component (3) for coupling out a small fraction of the light, a detector (7) for detecting the light intensity of the light coupled out, an electronic evaluation unit (8) for comparing the detected intensity with a predefined maximum value and a device (9) for reducing the light power or for switching off the light incident upon the optical components if the maximum power is exceeded.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung opti scher Komponenten durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle, insbesondere zum Schutz eines zur Übertragung von Laserlicht dienenden Glasfasersystems.The invention relates to an overload protection to avoid damage opti shear components due to excessive light output of a light source, especially for Protection of a glass fiber system used for the transmission of laser light.

Bei den hier zu schützenden optischen Komponenten oder Systemen, die vor Zerstö rung durch zu hohe Lichtleistung geschützt werden sollen, handelt es sich bspw. um Glasfasersysteme zur Übertragung von Laserlicht zu einem Meßsystem. Solche Glasfasersysteme werden u. a. in der Konfokalmikroskopie eingesetzt. Dabei werden oftmals Laser verwendet, die große Intensitätsunterschiede in einzelnen Linien ha ben, so daß man die gesamte Laserleistung äußerst hoch einstellen muß, um näm lich einzelne schwache Linien auch noch anzuregen. Entsprechend kann bei solchen Lasern die gesamte Ausgangsleistung derart hoch sein, daß die Zerstörschwelle ei nes Glasfasersystems überschritten wird. Laser mit mehreren Wellenlängen haben jedenfalls eine hohe Lichtleistung am Laserausgang, die im Bereich zwischen 2 und 3 Watt liegt. Wird die Zerstörschwelle eines Glasfasersystems - durch den einge koppelten Laserstrahl - überschritten, spricht man vom "Tod" der Faser, da nämlich der Fasereintritt regelrecht verbrannt wird.In the case of the optical components or systems to be protected that are protected from destruction To be protected by too high light output, it is, for example Glass fiber systems for the transmission of laser light to a measuring system. Such Glass fiber systems are u. a. used in confocal microscopy. In doing so often used lasers that have large intensity differences in individual lines ben, so that you have to set the total laser power extremely high to näm stimulate individual weak lines. Accordingly, with such Lasers the total output power be so high that the destruction threshold ei glass fiber system is exceeded. Have lasers with multiple wavelengths in any case a high light output at the laser output, which is in the range between 2 and 3 watts is. If the destruction threshold of a glass fiber system - by the coupled laser beam - exceeded, one speaks of "death" of the fiber, because namely the fiber entry is literally burned.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Überlastschutz zur Vermei dung einer Beschädigung optischer Komponenten durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle, insbesondere zum Schutze eines zur Übertragung von Laserlicht die nenden Glasfasersystems, derart auszugestalten und weiterzubilden, daß mit einfa chen Mitteln und ohne Abschaltung der Lichtquelle ein hinreichender Schutz der mit dem Licht beaufschlagten optischen Komponente erreicht wird. Sofern es sich bei der optischen Komponente um ein Glasfasersystem handelt, soll ein Verbrennen des Fasereintritts wirksam vermieden werden.The invention is therefore based on the object of overload protection for avoidance damage to optical components due to excessive light output Light source, in particular to protect a for the transmission of laser light Nenden fiber optic system to design and develop such that with simp Chen means and without switching off the light source, adequate protection of the the light-loaded optical component is reached. Unless it is the optical component is a glass fiber system, a burning of the Fiber entry can be avoided effectively.

Der erfindungsgemäße Überlastschutz der hier in Rede stehenden Art löst die voran stehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach umfaßt der Überlastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle eine im Strahlengang zwischen der Licht quelle und der optischen Komponente angeordnete Auskoppeleinrichtung zum Aus koppeln eines geringen Anteils des Lichts, einen Detektor zur Detektion der Lichtin tensität des ausgekoppelten Lichts, eine elektronische Auswerteeinheit zum Ver gleich der detektierten Lichtintensität mit einem vorgebbaren Höchst- bzw. Schwell wert und eine Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente treffenden Lichts für den Fall, daß der Höchstwert überschritten wird.The overload protection according to the invention of the type in question solves the above standing task by the features of claim 1. Thereafter, the Overload protection to avoid damage to optical components Too high light output of a light source in the beam path between the light Source and the optical component arranged decoupling device for off couple a small portion of the light, a detector for detecting the light intensity of the outcoupled light, an electronic evaluation unit for ver equal to the detected light intensity with a predeterminable maximum or threshold worth and a device for reducing the light output or for switching off of the light striking the optical component in the event that the maximum value is exceeded.

Erfindungsgemäß ist demnach erkannt worden, daß man die optische Komponente dadurch schützen kann, daß man unmittelbar im Strahlengang des Lichts dessen Intensität bzw. Leistung detektiert, wobei hier im Konkreten vorgeschlagen wird, ei nen geringen Anteil des Lichts aus dem Strahlengang auszukoppeln. Der ausgekop pelte geringe Anteil des Lichts wird hinsichtlich der Lichtintensität detektiert und in nerhalb einer elektronischen Auswerteeinheit mit einem vorgegebenen Höchstwert verglichen. Dieser Höchstwert muß sich selbstverständlich auf die lichtoptische Be lastbarkeit der optischen Komponente beziehen. Im Falle eines in eine Lichtleitfaser einzukoppelnden Laserstrahls muß der Höchstwert der Lichtintensität bzw. Lichtlei stung unter einem solchen Wert liegen, bei dem die Lichtleitfaser beschädigt wird. Schließlich bildet die Auskoppeleinrichtung, der Detektor und die Einrichtung zur Re duzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente treffenden Lichts einen Regelkreis, der dann auf den auf die optische Komponente gerichteten Strahlengang einwirkt, wenn der vorgegebene Höchstwert der Lichtinten sität überschritten wird.According to the invention, it has accordingly been recognized that the optical component can protect by directly in the beam path of light Intensity or power is detected, with specific suggestions here, ei Decouple a small amount of light from the beam path. The decoupled Small amount of light is detected in terms of light intensity and in within an electronic evaluation unit with a predetermined maximum value compared. This maximum value must of course refer to the light-optical loading load capacity of the optical component. In the case of an optical fiber The laser beam to be coupled in must be the maximum value of the light intensity or Lichtlei below a value at which the optical fiber is damaged. Finally, the decoupling device, the detector and the device for re reduction in light output or to switch off the optical component striking light a control loop, which then on the optical component directed beam path acts when the predetermined maximum value of the light inks is exceeded.

Die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente treffenden Lichts kann unterschiedlich wirken. So ist es bspw. möglich, daß die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung unmittelbar die Licht quelle dimmt bzw. drosselt oder - im Extremfall - sogar abschaltet, wobei man ein völliges Abschalten als "Not-Aus" definieren kann. In ganz besonders vorteilhafter Weise ist es jedoch möglich, die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung als ein zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente angeordnetes Filter auszuführen, wobei es sich dabei auch um eine Filterkombination handeln kann. Diese Filterkombination könnte bspw. Filterräder oder ähnliche konstruktive Maß nahmen umfassen. Jedenfalls sollte durch das Filter bzw. die Filterkombination ge währleistet sein, daß eine Reduzierung der auf die optische Komponente auftreffen den Lichtintensität bzw. Lichtleistung möglich ist, und zwar in Abhängigkeit der de tektierten Lichtleistung.The device to reduce the light output or to switch off the on optical component of striking light can have different effects. For example, possible that the device for reducing the light output directly the light source dims or throttles or - in extreme cases - even switches off, turning on complete shutdown can be defined as "emergency stop". In a particularly advantageous way However, it is possible to use the device for reducing the light output a filter arranged between the light source and the optical component to perform, which can also be a filter combination. This filter combination could, for example, filter wheels or a similar design measure took include. In any case, should go through the filter or the filter combination be guaranteed that a reduction in the impact on the optical component the light intensity or light output is possible, depending on the de detected light output.

Im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung könnte die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung als zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente - im dortigen Strahlengang - angeordnetes akusto-optisches Filter (AOTF = acousto opti cal tunable filter) ausgeführt sein. Dabei würde der primäre Licht- bzw. Laserstrahl über die elektronische Ansteuerung des AOTF in seiner Amplitude auf unterhalb des Höchstwertes liegende und somit ungefährliche Intensitätswerte abgeschwächt wer den.As part of an alternative embodiment, the facility for reduction could the light output as between the light source and the optical component - in beam path there - arranged acousto-optical filter (AOTF = acousto opti cal tunable filter). The primary light or laser beam via the electronic control of the AOTF in its amplitude to below the Maximum and therefore harmless intensity values are weakened the.

Ebenso ist es denkbar, daß die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung eine zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente angeordnete mechanische Verschlußeinheit, einen Shutter, umfaßt. Wird der eingestellte Höchstwert der Licht intensität überschritten, würde der primäre Lichtstrahl durch den mechanischen Ver schluß blockiert werden, wodurch ein Schutz der optischen Komponenten mit einfa chen Mitteln gewährleistet ist.It is also conceivable that the device for reducing the light output a mechanical arranged between the light source and the optical component Shutter unit, a shutter. The set maximum value of the light intensity would be exceeded, the primary light beam would be caused by the mechanical ver can be blocked in the end, thereby protecting the optical components with simp Chen means is guaranteed.

Wie bereits zuvor erwähnt, ist zur Detektion der Lichtintensität eine Auskoppelein richtung vorgesehen, die einen geringen Anteil des auf die optische Komponente treffenden Lichts auskoppelt. Diese Auskoppeleinrichtung könnte als Strahlteiler ausgeführt sein. Im Konkreten könnte es sich dabei um ein Strahlteilerplättchen aus Glas, d. h. um ein Glasplättchen, handeln. Ein solches Glasplättchen eignet sich ganz besonders als Strahlteiler, da ein solches Plättchen - ohne weitere Beschichtung - bereits zur Teilreflektion von etwa 4% bis 6% des auftreffenden Lichts verwendbar ist. Ein entsprechender Bereich - von etwa 4% bis 6%, vorzugsweise von 5% des Lichtstrahls - sollte zur Detektion der Lichtintensität ausgekoppelt werden.As already mentioned before, a coupling-out is for the detection of the light intensity direction provided that a small proportion of the optical component uncoupled light. This decoupling device could act as a beam splitter be executed. In concrete terms, this could be a beam splitter plate Glass, d. H. a glass plate. Such a glass plate is quite suitable especially as a beam splitter, since such a plate - without further coating - can already be used for partial reflection of approximately 4% to 6% of the incident light is. A corresponding range - from about 4% to 6%, preferably from 5% of Light beam - should be coupled out to detect the light intensity.

In ganz besonders vorteilhafter Weise und insbesondere im Hinblick auf eine kom pakte Bauweise könnte die Auskoppeleinrichtung und die Einrichtung zur Reduzie rung der Lichtleistung zu einer im Strahlengang des Lichts angeordneten baulichen Einheit zusammengefaßt sein. So ließen sich beide Einrichtungen innerhalb eines einzigen Gehäuses anordnen, wobei dort ein Lichteintritt und zwei Lichtaustritte - einerseits für den primären Lichtstrahl und andererseits für das ausgekoppelte Licht - vorgesehen sind.In a particularly advantageous manner and in particular with regard to a com compact design could the decoupling device and the device for reducing the light output to a structural one arranged in the beam path of the light Unit. So both institutions could be within one arrange single housing, where there is a light entry and two light exits - on the one hand for the primary light beam and on the other hand for the outcoupled light - are provided.

Des weiteren ist von ganz besonderer Bedeutung, wenn der Detektor zur Detektion der Lichtintensität bzw. Lichtleistung des ausgekoppelten Lichts unter Berücksichti gung des Teilungsverhältnisses - primärer Lichtstrahl/ausgekoppeltes Licht - geeicht ist, um nämlich Rückschlüsse auf die tatsächliche Lichtintensität des primären Licht strahls treffen zu können. Furthermore, it is of particular importance if the detector is used for detection the light intensity or light output of the outcoupled light taking into account division ratio - primary light beam / coupled light - calibrated is to draw conclusions about the actual light intensity of the primary light to be able to meet.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol gende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbei spiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die einzige Figur in einer schematischen Darstellung die prinzipielle Anordnung ei nes erfindungsgemäßen Überlastschutzes zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten, wobei es sich bei der optischen Komponente um eine Lichtleitfaser bzw. Glasfaser und bei der Lichtquelle um eine Laserlichtquelle handelt.There are now various possibilities for advantageously designing and developing the teaching of the present invention. For this purpose, on the one hand, reference is made to the claims subordinate to claim 1, and on the other hand to the following explanation of an embodiment of the invention with reference to the drawing. In conjunction with the explanation of the preferred embodiment of the invention, preferred configurations and developments of the teaching are also explained in general. In the drawing shows
the only figure in a schematic representation of the basic arrangement of an overload protection according to the invention to avoid damage to optical components, the optical component being an optical fiber or glass fiber and the light source being a laser light source.

Gemäß der Figur umfaßt der Überlastschutz eine im Strahlengang 1 zwischen einer Laserlichtquelle 2 und einer Glasfaser 3 angeordnete Auskoppeleinrichtung 4 zum Auskoppeln eines geringen Anteils des primären Laserlichts 5. Des weiteren ist im Strahlengang 6 des ausgekoppelten Laserlichts ein Detektor 7 zur Detektion der Lichtintensität bzw. Lichtleistung des ausgekoppelten Lichts vorgesehen. Dem Detektor 7 ist eine elektronische Auswerteeinheit 8 zum Vergleich der detektierten Lichtintensität mit einem vorgebbaren Höchstwert nachgeschaltet. Schließlich ist eine Einrichtung 9, 11 zur Reduzierung der Lichtleistung oder gar zum Abschalten 9, 12 des auf die Glasfaser 3 treffenden Laserlichts 5 vorgesehen, nämlich für den Fall, daß der vorgebbare Höchstwert überschritten wird.According to the figure, the overload protection comprises a decoupling device 4 arranged in the beam path 1 between a laser light source 2 and a glass fiber 3 for decoupling a small proportion of the primary laser light 5 . Furthermore, a detector 7 is provided in the beam path 6 of the outcoupled laser light for detecting the light intensity or light output of the outcoupled light. An electronic evaluation unit 8 for comparing the detected light intensity with a predeterminable maximum value is connected downstream of the detector 7 . Finally, a device 9 , 11 for reducing the light output or even for switching off 9 , 12 of the laser light 5 striking the glass fiber 3 is provided, namely in the event that the predeterminable maximum value is exceeded.

In der Figur ist angedeutet, daß die Auskoppeleinrichtung 4, der Detektor 7, die Aus werteeinheit 8 und schließlich die Einrichtung 9 zur Reduzierung der Lichtleistung einen Regelkreis bilden. Jedenfalls ist durch den voranstehend beschriebenen Überlastschutz gewährleistet, daß die zu einem System 10 - z. B. einem Mikroskop - führende Glasfaser 3 vor zu hoher Lichtleistung des einkoppelnden Laserlichts 5 wirksam geschützt ist.In the figure it is indicated that the decoupling device 4 , the detector 7 , the evaluation unit 8 and finally the device 9 for reducing the light output form a control loop. In any case, the overload protection described above ensures that the to a system 10 - z. B. a microscope-leading glass fiber 3 is effectively protected from excessive light output of the coupling laser light 5 .

Die Einrichtung 9 zur Reduzierung der Lichtleistung besteht bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel aus einer Kombination zwischen akusto-optischem Filter (AOTF) 11 und einem als Shutter ausgeführten mechanischen Verschlußteil 12. Die zwischen der Laserlichtquelle 2 und der Glasfaser 3 angeordnete Einheit - AOTF 11, mechanisches Verschlußteil 12 - erlaubt es, Laserlinien einzeln oder zusammen auszuwählen, nämlich durch das dort vorgesehene akusto-optische Filter 11 und das Verschlußteil 12, wobei sich die beiden Bauteile - AOTF 11 und mechanisches Ver schlußteil 12 - ergänzen. Eine alternative Vorkehrung des einen oder anderen Bau teils ist ebenso denkbar.The device 9 for reducing the light output in the exemplary embodiment selected here consists of a combination between acousto-optical filter (AOTF) 11 and a mechanical closure part 12 designed as a shutter. The unit arranged between the laser light source 2 and the glass fiber 3 - AOTF 11 , mechanical closure part 12 - allows laser lines to be selected individually or together, namely through the acousto-optical filter 11 provided there and the closure part 12 , the two components - AOTF 11 and mechanical closure part 12 - complete. An alternative arrangement of one or the other part is also conceivable.

Die Figur läßt des weiteren erkennen, daß die Auskoppeleinrichtung 4 einen Strahl teiler umfaßt, wobei es sich hier im Konkreten um ein Glasplättchen 13 bzw. um ein Strahlteilerplättchen aus Glas handelt. Mit Hilfe der Auskoppeleinrichtung 4 findet eine Auskopplung im Bereich zwischen 4% und 6% des primären Laserlichts 5 statt.The figure reveals further that the output device 4 comprises a beam splitter, which is here in the concrete to a glass plate 13 and a beam splitter plate of glass. With the aid of the decoupling device 4 , a decoupling takes place in the range between 4% and 6% of the primary laser light 5 .

Schließlich sei angemerkt, daß sich der erfindungsgemäße Überlastschutz in idealer Weise zum Einsatz in der Konfokalmikroskopie eignet, nämlich als Überlastschutz für die zur Übertragung von Laserlicht dienende Glasfaser. Durch die erfindungsge mäßen Maßnahmen ist die gefahrlose Benutzung stärkerer und damit vielseitig ver wendbarer Multiline-Laser möglich, wobei durch die Leistungsbegrenzung des Laser lichts die Lebensdauer der Glasfaser erhöht wird, ohne dabei die Laserlichtquelle durch Schaltmaßnahmen zu belasten.Finally, it should be noted that the overload protection according to the invention is ideal Suitable for use in confocal microscopy, namely as overload protection for the glass fiber used to transmit laser light. By the fiction Measures are the safe use stronger and therefore versatile reversible multiline laser possible due to the power limitation of the laser The lifespan of the glass fiber is increased without losing the laser light source burden by switching measures.

Claims

1. Overload protection to avoid damage to optical components ( 3 ) due to excessive light output of a light source ( 2 ), in particular to protect a glass fiber system used to transmit laser light ( 5 ), with a beam path ( 1 ) between the light source ( 2 ) and the optical component ( 3 ) arranged decoupling device ( 4 ) for decoupling a small portion of the light, a detector ( 7 ) for detecting the light intensity of the decoupled light, an electronic evaluation unit ( 8 ) for comparing the detected light intensity with a predeterminable maximum value and a device ( 9 ) for reducing the light output or for switching off the light striking the optical component ( 3 ) in the event that the maximum value is exceeded.

2. Overload protection according to claim 1, characterized in that the device ( 9 ) for reducing the light output directly dims or throttles or turns off the light source ( 2 ).

3. Overload protection according to claim 1, characterized in that the device ( 9 ) for reducing the light output is designed as a filter arranged between the light source ( 2 ) and the optical component ( 3 ).

4. Overload protection according to claim 1, characterized in that the device ( 9 ) for reducing the light output is designed as a filter combination arranged between the light source ( 2 ) and the optical component ( 3 ).

5. Overload protection according to claim 4, characterized in that the filter combination nation includes filter wheels.

6. Overload protection according to claim 1, characterized in that the device ( 9 ) for reducing the light output as between the light source ( 2 ) and the optical component's ( 3 ) arranged acousto-optical filter (AOTF) ( 11 ) is executed.

7. Overload protection according to one of claims 1 to 6, characterized in that the device ( 9 ) for reducing the light output comprises a between the light source ( 2 ) and the optical component ( 3 ) arranged mechanical shutter unit (shutter) ( 12 ).

8. Overload protection according to one of claims 1 to 7, characterized in that the decoupling device ( 4 ) comprises a beam splitter.

9. Overload protection according to claim 8, characterized in that the beam splitter is a glass plate ( 13 ).

10. Overload protection according to claim 8 or 9, characterized in that the coupling device ( 4 ) serves for coupling out about 4% to 6%, preferably 5%, of the light beam.

11. Overload protection according to one of claims 1 to 10, characterized in that the decoupling device ( 4 ) and the device ( 9 ) for reducing the light output are combined to form a unit arranged in the beam path ( 6 ) of the light.

12. Overload protection according to one of claims 1 to 11, characterized in that the detector ( 7 ) for detecting the light intensity of the outcoupled light is calibrated taking into account the division ratio.